Search

JP-2026077462-A - 位相画像取得システム、位相画像取得装置、プログラム、及び位相画像取得方法

JP2026077462AJP 2026077462 AJP2026077462 AJP 2026077462AJP-2026077462-A

Abstract

【課題】携帯情報端末を利用して位相画像を取得することができる、安価で汎用性のある位相画像取得システム、位相画像取得装置、プログラム、及び位相画像取得方法を提供する。 【解決手段】位相画像取得システムは、サンプルを照明するためのディスプレイ、ディスプレイにより照明されたサンプルを撮像するカメラ、並びに制御部を備える携帯情報端末と、ディスプレイで照明されてサンプルを透過した光をカメラに導く光学系と、を備え、制御部は、各々がサンプルに対する入射角が異なる光でサンプルを照明する複数の照明パターンを順次表示させてサンプルを順次照明するようにディスプレイを制御し、光学系によりカメラに導かれた光により、複数の照明パターンの各々によって順次照明されたときのサンプルのフーリエ変換像を順次撮像するようにカメラを制御し、カメラによって撮像された複数のフーリエ変換像を再構成して位相が回復された位相画像を生成する。 【選択図】図１５

Inventors

  • 中尾 勇

Assignees

  • アークレイ株式会社

Dates

Publication Date
20260513
Application Date
20241025

Claims (12)

  1. サンプルの位相画像を取得する位相画像取得システムであって、 前記サンプルを照明するためのディスプレイ、前記ディスプレイにより照明された前記サンプルを撮像するカメラ、並びに前記ディスプレイ及び前記カメラを制御する制御部を備える携帯情報端末と、 前記ディスプレイで照明されて前記サンプルを透過した光を前記カメラに導く光学系と、 を備え、 前記制御部は、 各々が前記サンプルに対する入射角が異なる光で前記サンプルを照明する複数の照明パターンを順次表示させて、前記サンプルを順次照明するように、前記ディスプレイを制御し、 前記光学系により前記カメラに導かれた光により、前記複数の照明パターンの各々によって順次照明されたときの前記サンプルのフーリエ変換像を順次撮像するように、前記カメラを制御し、 前記カメラによって撮像された複数のフーリエ変換像を再構成して、位相が回復された位相画像を生成する、 位相画像取得システム。
  2. 前記ディスプレイからの照明光を前記サンプルに導く第２の光学系をさらに備え、 前記第２の光学系は、前記サンプルの手前に前記照明パターンの像を形成する結像光学系と、前記照明パターンの像から前記サンプルに向かう光を前記サンプル全体を照明する光に整形する光整形素子と、を備える、請求項１に記載の位相画像取得システム。
  3. 前記光整形素子は、透過拡散板、ホログラム素子、光学回折素子、フォトニック結晶、又はメタマテリアルである、請求項２に記載の位相画像取得システム。
  4. 前記制御部は、さらに、前記カメラのレンズの焦点位置を前記光学系に含まれる結像レンズの結像面に一致させるように、前記カメラを制御する、請求項１に記載の位相画像取得システム。
  5. 前記カメラは、オートフォーカス機能を備えており、 前記制御部は、 合焦位置で基準画像が得られる既知のテストサンプルを撮像させて、得られた撮像画像が前記基準画像と一致する前記レンズの位置を取得し、前記オートフォーカス機能をオフにして、取得した前記レンズの位置を合焦位置として設定する、 請求項４に記載の位相画像取得システム。
  6. 前記カメラは、オートフォーカス機能を備えていないか、又はオートフォーカス機能をオフにし、 前記制御部は、事前取得された合焦位置を合焦位置として設定する、 請求項４に記載の位相画像取得システム。
  7. 前記再構成は、シミュレーティットアニーリング、又は量子アニーリングを用いて行う、請求項１に記載の位相画像取得システム。
  8. 前記携帯情報端末が、前記ディスプレイと前記カメラとが同じ面に配置された携帯情報端末である、請求項１に記載の位相画像取得システム。
  9. 前記携帯情報端末が、スマートフォン、タブレット型端末装置、又は小型ノートパソコンである、請求項１に記載の位相画像取得システム。
  10. サンプルの位相画像を取得する位相画像取得装置であって、 前記サンプルを照明するためのディスプレイ、前記ディスプレイにより照明された前記サンプルを撮像するカメラ、並びに前記ディスプレイ及び前記カメラを制御する制御部を備え、 前記制御部が、 各々が前記サンプルに対する入射角が異なる光で前記サンプルを照明する複数の照明パターンを順次表示させて、前記サンプルを順次照明するように、前記ディスプレイを制御し、 前記ディスプレイで照明されて前記サンプルを透過した光を前記カメラに導く光学系により前記カメラに導かれた光によって、前記複数の照明パターンの各々によって順次照明されたときの前記サンプルのフーリエ変換像を順次撮像するように、前記カメラを制御し、 前記カメラによって撮像された複数のフーリエ変換像を再構成して、位相が回復された位相画像を生成する、 位相画像取得装置。
  11. サンプルを照明するためのディスプレイ、前記ディスプレイにより照明された前記サンプルを撮像するカメラ、並びに前記ディスプレイ及び前記カメラを制御する制御部を備え、前記サンプルの位相画像を取得する位相画像取得装置で実行されるプログラムであって、 コンピュータにより、 各々が前記サンプルに対する入射角が異なる光で前記サンプルを照明する複数の照明パターンを順次表示させて、前記サンプルを順次照明するように、前記ディスプレイを制御するステップと、 前記ディスプレイで照明されて前記サンプルを透過した光を前記カメラに導く光学系により前記カメラに導かれた光によって、前記複数の照明パターンの各々によって順次照明されたときの前記サンプルのフーリエ変換像を順次撮像するように、前記カメラを制御するステップと、 前記カメラによって撮像された複数のフーリエ変換像を再構成して、位相が回復された位相画像を生成するステップと、 を実行させるプログラム。
  12. サンプルを照明するためのディスプレイ、前記ディスプレイにより照明された前記サンプルを撮像するカメラ、並びに前記ディスプレイ及び前記カメラを制御する制御部を備える携帯情報端末と、前記ディスプレイで照明されて前記サンプルを透過した光を前記カメラに導く光学系と、を備える位相画像取得システムを用いて、前記サンプルの位相画像を取得する位相画像取得方法であって、 前記制御部が、 各々が前記サンプルに対する入射角が異なる光で前記サンプルを照明する複数の照明パターンを順次表示させて、前記サンプルを順次照明するように、前記ディスプレイを制御し、 前記光学系により前記カメラに導かれた光により、前記複数の照明パターンの各々によって順次照明されたときの前記サンプルのフーリエ変換像を順次撮像するように、前記カメラを制御し、 前記カメラによって撮像された複数のフーリエ変換像を再構成して、位相が回復された位相画像を生成する、 位相画像取得方法。

Description

本開示は、位相画像取得システム、位相画像取得装置、プログラム、及び位相画像取得方法に関する。 細胞や血球、その他生体組織は光吸収が少なく屈折率も水に近い。このため、通常の撮像により得られる撮像画像はコントラストが小さいという問題がある。この問題を解決するために定量位相画像の撮影技術が提案されているが、これらの技術ではレーザや干渉計など繊細で高価な装置が必要であるため、これらの技術を医療現場で使用することは困難であった。また、近年、光のフーリエタイコグラフィにより位相画像を抽出する技術が提案されている。 特表２０１６－５３０５６７（特許文献１）には、異なる時刻において複数の入射角で試料を照射するように構成された可変照明装置と、高ＮＡであるレンズを備える光学系と、複数の入射角の異なる入射角に対応する複数の輝度画像を取得するように構成されている放射検出器とを備える、超高ＮＡフーリエタイコグラフィ撮像システムが開示されている。この技術では、可変照明装置にＬＥＤアレイを使用する等、固有の照明装置が必要である。 特表２０１６－５３０５６７ 第１の実施形態に係る位相画像取得システムの構成の一例を示す概略図である。携帯情報端末の構成の一例を示す概略図である。携帯情報端末のディスプレイに表示されるパターンの一例を示す模式図である。携帯情報端末のディスプレイに表示されるパターンの変化の様子の一例を示す模式図である。投影光学系の構成の一例を示す概略図である。投影レンズの開口数が大きい場合の照明光の一例を示す模式図である。投影レンズの開口数が小さい場合の照明光の一例を示す模式図である。光整形素子が拡散板である場合の照明光の整形の様子を示す模式図である。光整形素子がホログラム素子である場合の照明光の整形の様子を示す模式図である。ホログラム素子の作製方法を説明するための模式図である。位相画像取得システムのステージの構成の一例を示す概略図である。携帯情報端末のハードウェア構成を示すブロック図である。パターンと入射角との関係を表すテーブルの図表である。第１の実施形態に係る携帯情報端末の機能構成を示す機能ブロック図である。第１の実施形態に係る携帯情報端末の制御部で実行される情報処理の流れの一例を示すフローチャートである。図１５に示す撮像処理の流れの一例を示すフローチャートである。図１５に示す再構成処理の流れの一例を示すフローチャートである。第２の実施形態に係る携帯情報端末の機能構成を示す機能ブロック図である。第２の実施形態に係る携帯情報端末の制御部で実行される情報処理の流れの一例を示すフローチャートである。合焦条件を説明するための模式図である。図１９に示す合焦処理の流れの一例を示すフローチャートである。 以下、図面を参照して、本開示の技術を実施するための形態の一例について詳細に説明する。なお、動作、作用、機能が同じ働きを担う構成要素及び処理には、全図面を通して同じ符号を付与し、重複する説明を適宜省略する場合がある。各図面は、本開示の技術を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。よって、本開示の技術は、図示例のみに限定されるものではない。また、本実施形態では、本開示と直接的に関連しない構成や周知な構成については、説明を省略する場合がある。 ＜第１実施形態＞ 図１に、本実施形態に係る位相画像取得システム１０の構成を示す。 位相画像取得システム１０は、フーリエタイコグラフィを用いて位相画像を取得する。図１に示すように、位相画像取得システム１０は、携帯情報端末２０と検査装置３０とを備える。携帯情報端末２０は、カメラ２１、ディスプレイ２３（図２参照）、及び通信部２２等を備えたデバイスである。このようなデバイスとしては、スマートフォン、タブレット型端末装置、又は小型ノートパソコンが挙げられる。特に、普及率が高いスマートフォンが好適に使用される。 図２に示すように、フーリエタイコグラフィを実施するために、携帯情報端末２０のディスプレイ２３に、互いに異なる複数のパターンＰを順次表示させて照明を行う。パターンＰは、図３に示すように、パターン内に複数の領域２５を備え、そのうちの１つの領域２５に明画素を表示する明暗画像である。明画素は１画素又は複数の画素からなる。ディスプレイ２３の背景画面は黒色とされる。 図４に示すように、パターンＰの表示により単一の輝点が表示され、明画素の位置が異なるＮ個のパターンＰｉ（ｉ＝１～Ｎ）では、輝点の位置が異なる。パターンＰｉの表示により、ＬＥＤアレイの１つのＬＥＤを発光させた場合と同様に、所定の入射角の光でサンプル３７を照明することができる。なお、パターンＰｉ（ｉ＝１～Ｎ）の各々を区別する必要が無い場合は、パターンＰと総称する。 検査装置３０は、ステージ３１、駆動部３２、レンズ等の光学部品を含む光学系８０、８２、８４、８５、通信部３５、及び制御部３６を備えている。光学系８５は、サンプル３７に照明光を投影するための投影光学系である。検査装置３０は筐体３０Ａを備え、ステージ３１、駆動部３２、光学系８０、８２、８４、８５、通信部３５、及び制御部３６の各部は、筐体３０Ａ内に配置されている。 筐体３０Ａには、携帯情報端末２０を保持するための保持溝３０Ｄが設けられており、携帯情報端末２０は所定位置に保持される。また、筐体３０Ａには、携帯情報端末２０のディスプレイ２３の一部を露出させるための通過孔３０Ｃが設けられている。サンプル３７の測定時には、携帯情報端末２０のディスプレイ２３からの光は、通過孔３０Ｃを通過し、光学系８５によりリレーされて、所定の入射角でサンプル３７を照明する。 ここで、図５～図９を参照して投影光学系８５の構成について説明する。図５に示すように、投影光学系８５は、投影レンズ６０、反射鏡６２、及び光整形素子６４を備えている。投影レンズ６０、反射鏡６２、及び光整形素子６４は、光源であるディスプレイ２３上のパターンＰからの光の光軸Ｌに沿って記載した順序で配置されている。光整形素子６４としては、透過拡散板、透過型の体積位相ホログラム等のホログラム素子、光学回折素子、フォトニック結晶、メタマテリアル等を使用することができる。パターンＰから出射した光は、投影レンズ６０により結像され、パターンＰの結像面に配置された光整形素子６４によりサンプル３７全体を照明するように整形される。 図６及び図７に示す構成では、光整形素子６４は配置されていない。携帯情報端末２０のディスプレイ２３に表示したパターンＰでサンプル３７を直接照明できない場合、サンプル３７の近傍にパターンＰの像（パターン像）を形成し、その像からサンプル３７に向かう光線を照明光として利用する。図６に示すように、パターンＰからの光は、投影レンズ６０により結像面に結像され、パターン像Ｉｐが形成される。パターン像Ｉｐには、パターンＰの輝点に対応する輝点が形成され、点光源である輝点から拡散された光がサンプル３７を照明する。パターンＰに対して投影レンズ６０の開口数が十分に大きい場合、光整形素子６４を配置しなくても、パターンＰの端部の輝点についても大きい角度の光線が生成され、サンプル３７全体が照明される。 一方で、投影レンズ６０の開口数を大きくすると、投影距離が短くなり、レンズのサイズも大きくなる等の課題が生じる。これらの課題を解決するために、開口数の小さい投影レンズ６０が使用される。図７に示すように、パターンＰに対して投影レンズ６０の開口数が小さくなると、照明角度範囲が小さくなり、パターンＰの端部の輝点について大きい角度の光線が生成されず、破線の円で囲んだようにサンプル３７の一部が照明されない事態となる。これは、位相画像再構成の最適化に用いる現画像との比較誤差最小化の条件数を低下させ、位相精度の低下をもたらす。 このため、本実施の形態では、パターンＰの結像面に光整形素子６４を配置し、パターンＰから出射した光を、サンプル３７全体を照明可能な光に整形する。例えば、光整形素子６４として透過拡散板６４ｄを配置した場合、図８に示すように、パターン像Ｉｐの輝点からの光が透過拡散板６４ｄにより拡散され、拡散された光がサンプル３７を照明する。このため、開口数の小さい投影レンズ６０を用いても、パターンＰの端部の輝点からの光でサンプル３７全体が照明される。 例えば、光整形素子６４としてホログラム素子６４ｈを配置した場合、図９に示すように、パターン像Ｉｐの輝点からの光がホログラム素子６４ｈによりサンプル３７全体を照明するように回折され、回折された光がサンプル３７を照明する。このため、開口数の小さい投影レンズ６０を用いても、パターンＰの端部の輝点からの光でサンプル３７全体が照明される。 ホログラム素子６４ｈは、図１０に示すように、同じレーザ光源から生成された物体光Ｌ１と参照光Ｌ２とを同時にホログラム記録用のフォトポリマー６６に照射することで作製することができる。図１０に示す例では、レンズ６８により集光された物体光Ｌ１と平行光である参照光Ｌ２とがハーフミラー８０により合波され、物体光Ｌ１と参照光Ｌ２とが同軸でホログラム記録用のフォトポリマー６６に照射されている。 物体光をサンプル３７全体を照明する光とすることで、ホログラム素子６４ｈに参照光に相当する光を照射すると、サンプル３７全体を照明する光が再生される。ホログラム素子６４ｈは、サンプル３７全体を照明する光を生成するので、透過拡散板６４ｄを使用する場合と比較して光の利用効率が高くなる。 なお、図５～図９では、左側に光源であるディスプレイ２３上のパターンＰを配置しているため、反射鏡６２により光路を折り曲げている。しかしながら、図１に示すシステムでは、ディスプレイ２３はサンプル３７の上方に配置されるため、光路を折り曲げる必要はなく、反射鏡６２は省略することができる。 図１の説明に戻ると、ステージ３１には、測定対象であるサンプル３７が載置される。サンプル３７は、生体組織等の試料がキュベット等のサンプルセルにセットされたものである。ステージ３１の中央には、サンプル３７を通過した光を通過させる通過孔３１Ａが設けられている。サンプル３７は、この通過孔３１Ａの位置にセットされる。 光学系８２は光学系８０と交差する方向に延在し、光学系８４は光学系８２と交差する方向に延在する。光学系８０は対物レンズ８０Ａを含み、光学系８４は結像レンズ８４を含む。光学系８０と光学系８２との間には反射鏡８１が配置され、光学系８２と光学系８４との間には反射鏡８３が配置されている。 通過孔３１Ａを通過した光は、光学系８０に入射し、対物レンズ８０Ａで集光され、反射鏡８１で反射されて、光路が９０度折り曲げられる。反射鏡８１で反射された光は、光学系８２を通過して、反射鏡８３で反射されて、再び光路が９０度折り曲げられる。反射鏡８３で反射された光は、光学系８４に入射し、結像レンズ８４Ａで結像されて、光学系８４から出射する。 筐体３０Ａには、携帯情報端末２０のカメラ２１を露出させるための通過孔３０Ｂが設けられている。サンプル３７の測定時には、光学系８４から出射した光は、通過孔３０Ｂを通過してカメラ２１に入射する。 ステージ３１は、駆動部３２によって駆動される。駆動部３２は、制御部３６の指示に従って、ステージ３１を互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向に駆動可能である。また、図１１に示すように、ステージ３１は、サンプル３７を載置するステージ３１Ｃとテストサンプル３９を載置するステージ３１Ｄとを備えていてもよい。ステージ３１Ｃ及びステージ３１Ｄは回転軸３１Ｅの周りに回転可能とされている。駆動部３２は、制御部３６の指示に従って、ステージ３１Ｃとステージ３１Ｄとを切り替える。 また、筐体３０Ａの側面には、通信部３５が備えられている。サンプル３７の測定時には、携帯情報端末２０の通信部２２と検査装置３０の通信部３５と